在棉紡工程中，粗紗機的主要任務是把并條后的熟條加工成符合一定工藝要求的粗紗，供細紗機紡制細紗。要完成這一任務，必須具備喂入、牽伸、加捻、卷繞成型等機構，如何對這些機構的執(zhí)行零件進行優(yōu)化設計是決定粗紗機整體質(zhì)量和紡紗質(zhì)量的關鍵所在。
一般機械設計都存在著許多種設計方案。傳統(tǒng)的優(yōu)化設計如下圖：
設計（綜合） ←
↓ ∣
評價（分析）
↓ ∣
選用（決策）－否
↓ 是
理想的設計方案
這個理想的設計方案就是“傳統(tǒng)的優(yōu)化”方案，由于設計方法的局限性這種優(yōu)化設計的質(zhì)量和效率都較差；隨著計算機技術的不斷發(fā)展，可利用計算機輔助設計高速度、高質(zhì)量地去完成上述的“評價——再設計”過程。懸錠粗紗機的優(yōu)化設計實質(zhì)上就是把紡紗工藝對機械的要求問題模型化，即抽象為優(yōu)化設計的數(shù)學模型，然后應用優(yōu)化計算方法的程序在計算機上求解這個數(shù)學模型。
一、 喂入機構
懸錠粗紗機因機架較高而普遍采用四列（400條筒）或五列（500條筒）高架導條輥積極喂入，工藝要求棉條在輸送過程中應保持一定的張力不致松垂，又要盡量避免意外牽伸，以保證粗紗質(zhì)量。因此，合理確定后羅拉與各導條輥之間的距離及速比是設計過程中的重要一環(huán)。導條輥的截面設計有圓環(huán)形和中空六邊形，一般采用圓環(huán)形截面設計。隨著電腦形高速粗紗機的開發(fā)應用，棉條的輸送速度在不斷提高，導條輥的優(yōu)化設計成為一個不可忽略的問題，否則，容易造成意外牽伸或機械震動；設計時的目標函數(shù)是導條輥重量為最輕即：
min W=(D2-d2)/4.ρ.L ，其約束條件是D和撓度Y=5qL4/384EI
目前一般采用復合不銹鋼管制造，成本低，質(zhì)量好。
二、 牽伸機構
牽伸機構是懸錠粗紗機的重要組成部分，它直接決定紡紗質(zhì)量的好壞。該機構主要包括：清潔裝置、羅拉、加壓搖架、握持及集束元件、傳動裝置。
1、牽伸形式：根據(jù)所紡纖維的長度不同，懸錠粗紗機一般采用三羅拉或四羅拉雙皮圈牽伸；四羅拉雙皮圈牽伸是在三羅拉雙皮圈牽伸的基礎上增加一個整理區(qū)（1.05倍左右的牽伸倍數(shù)），紗條輸出時的集束器放置在整理區(qū)內(nèi)，使牽伸與集束分開，實現(xiàn)牽伸區(qū)不集束、集束區(qū)不牽伸；由于集束器前置，鉗口對纖維的控制作用增強，浮游區(qū)長度縮小，牽伸變速點前移，為提高粗紗條干質(zhì)量創(chuàng)造了必要的條件。四羅拉雙皮圈牽伸在紡制重定量、小捻度以及化纖產(chǎn)品時優(yōu)于三羅拉雙皮圈牽伸，并且粗紗光潔度好，毛羽少，因而被廣泛應用在懸錠粗紗機上。
2、羅拉：羅拉是牽伸機構的主要元件之一。一般采用45號鋼或合金結構鋼制造，工作面為人字形斜齒溝槽和菱形網(wǎng)紋滾花結構，工作部分經(jīng)過高頻熱處理和鍍硬鉻處理；懸錠粗紗機的羅拉已成為紡織專件，直徑多為25～32mm，各廠家的設計思路不同其羅拉規(guī)格、結構也多種多樣。目前，通過優(yōu)化設計生產(chǎn)的一種超高精度羅拉正在投放市場，羅拉自由對接精度好，抗彎、抗扭強度高，不需機下校正，無牽伸機械波。
3、加壓搖架： 懸錠粗紗機的牽伸加壓通常采用彈簧搖架加壓或板簧、氣動搖架加壓；加壓量與壓力的合理分布與紡紗質(zhì)量的關系極為密切。氣動、板簧加壓壓力恒定，成本較高，推廣范圍小。彈簧搖架加壓、釋壓方便，但存在抗疲勞性較差，錠差壓力較大等缺點。牽伸加壓質(zhì)量取決于彈簧的設計質(zhì)量，保持加壓穩(wěn)定，必須注重彈簧的設計。彈簧的優(yōu)化設計建模時要綜合考慮，常取恒力下的變形量為優(yōu)化目標函數(shù)，承受交變載荷次數(shù)為其主要約束條件。
4、握持及集束元件：四羅拉雙短皮圈牽伸彈性握持鉗口的設計是整個牽伸機構的關鍵；皮輥、上皮圈、上銷組成握持鉗口的彈性部分,皮輥一般采用鋁襯套結構；上銷通常選用金屬材料或碳纖維材料制造，碳纖維上銷不變形、抗靜電，是設計發(fā)展的方向。羅拉、下皮圈及下銷組成彈性鉗口的固定部分；下銷有弧面直線形和階梯曲面開槽形，后者工作面能使上下皮圈工作面形成緩和的曲線牽伸通道，防止皮圈回轉(zhuǎn)出現(xiàn)中凹現(xiàn)象，使皮圈中部的摩擦力界因增強而穩(wěn)定，有利于纖維變速的穩(wěn)定性和伸直平行；開槽后對皮圈運動的控制能力增強；應用廣泛。
5、清潔裝置： 懸錠粗紗機普遍采用積極回轉(zhuǎn)式上下清潔器，清潔器的設計較以前有所進步，但還需要進一步優(yōu)化改進。設計的重點應放在減輕重量，降低摩擦力，利于清潔絨帶平穩(wěn)回轉(zhuǎn)。 <BR>6、牽伸傳動裝置：牽伸傳動是產(chǎn)生粗紗條干機械波的主要根源。設計過程中除保證各支架的幾何精度外，應重點對牽伸傳動齒輪進行優(yōu)化設計，編程設計時取齒輪一轉(zhuǎn)為周期的誤差最小為目標函數(shù)；重量和抗膠合強度為其主要約束條件之一。
三、 加捻機構
1、錠翼：錠翼是加捻機構的主要元件，它的數(shù)量和重量在單臺粗紗機中占有很大的比重，是粗紗機設計的重點之一。錠翼有開式和閉式之分，閉式錠翼因具有通道光滑、斷頭率低、對溫濕度敏感性小等特點在粗紗機設計中占主導地位。經(jīng)不斷地設計改進錠翼最高速度目前已達到1800r/min，主要技術指標是末端開張量和剩余不平衡力矩；錠翼的優(yōu)化設計應以重量最小為目標函數(shù)，標準中的技術參數(shù)為其約束條件。
2、假捻器：錠翼頂端至前羅拉之間存在捻陷現(xiàn)象，其間的粗紗捻度比設計捻度低20%～40%，并且前后排錠翼導紗角不等易造成粗紗意外伸長，導致細紗重量不勻率提高。為減少伸長差異，在設計上采用等導紗角錠翼和假捻器進行補償。假捻器的優(yōu)化設計非常重要，前、后排紗段的長度不同、導紗角不等對應的假捻器應該是入紗角不等、刻槽數(shù)量不等。
四、 卷繞成型機構
傳統(tǒng)粗紗機的卷繞和成型機構是一個復雜的機械混合機構，通常由主電機提供錠翼旋轉(zhuǎn)的恒速，同時帶動主軸上的差動裝置，把筒管所需的恒速與下錐輪提供的變速合成后形成卷繞速度。其數(shù)學表達式為：
N合成速度=i(輸入至輸出傳動比)× N(輸入轉(zhuǎn)速)+（1-i）×N轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)速。
電腦型粗紗機該機構演化為以紡紗數(shù)學模型為基礎的程序軟件。
1、多電機傳動的電腦型粗紗機取消了錐輪變速機構和機械成型機構。根據(jù)傳動電機的多少，卷繞形式分為獨立電機驅(qū)動（變頻或伺服）或合成轉(zhuǎn)速驅(qū)動。為實現(xiàn)恒張力紡紗，一般按數(shù)學式： <BR>NT=ND+L/π(d0+2tn) 建立數(shù)學模型�！綨T筒管轉(zhuǎn)速 ND錠翼轉(zhuǎn)速 d0紗管直徑 n卷繞層數(shù) t粗紗厚度 L前羅拉輸出長度】紡紗數(shù)學模型的設計與實際紡紗狀況存在許多不確定的因素，真正做到智能型恒張力紡紗還要不斷地對數(shù)學模型進行優(yōu)化設計。
2、傳統(tǒng)粗紗機卷繞成型機構的設計重點是差速機構和變速機構，差速機構的優(yōu)化設計除了要保證卷繞恒速與錠翼恒速的不一致系數(shù)為零外，差速傳動齒輪要按重量最輕為設計目標。變速機構中的錐輪變速比PIV變速具有許多優(yōu)點，因而被廣泛采用，目前對變速曲線的設計及加工還存在誤差，有待進一步優(yōu)化設計。
懸錠粗紗機在設計方面還存在許多系統(tǒng)的、隨機的影響紡紗質(zhì)量的弊病，與國際先進技術水平相比有一定的差距，只有經(jīng)過不斷地設計改進提高其可靠性，才能顯示出產(chǎn)品的優(yōu)勢和先進性。
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